(57)【要約】【課題】ステータに回転磁界を生成するステータ巻線を有し、これとは別にロータに巻線と整流素子が設けられる回転電機において、磁石の効果的利用によってトルク特性等を向上させることである。【解決手段】回転電機１０は、回転磁界を生成するステータ巻線１４を有するステータ１２と、インダクタンスがより高い磁路である複数のＬ大磁路である突極部２２を周方向の複数個所に有するロータ２０と、Ｌ大磁路を巻線磁極部として巻回されて、回転磁界が鎖交して誘導電流が流れる複数のロータ巻線４０と、誘導電流によって巻線磁極部に生じる巻線起磁力の方向をロータ２０の周方向に交互に異ならせるように、各ロータ巻線４０に接続される複数の整流部であるダイオード４２と、巻線起磁力の方向と一致する方向の起磁力を生じさせる磁束を巻線磁極部に流す複数の永久磁石３０，３２等とを備える。【選択図】図１
2013128374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を生成するステータ巻線を有するステータと、
インダクタンスがより高い磁路である複数のＬ大磁路を周方向の複数個所に有し、ステータに対向するロータと、
Ｌ大磁路を巻線磁極部として巻回されて、回転磁界が鎖交して誘導電流が流れる複数のロータ巻線と、
誘導電流によって巻線磁極部に生じる巻線起磁力の方向をロータの周方向に交互に異ならせるように、各ロータ巻線に接続される複数の整流部と、
巻線起磁力の方向と一致する方向の起磁力を生じさせる磁束を巻線磁極部に流す複数の永久磁石と、
を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、
永久磁石は、ロータの内部で隣接する突極部の根元の間の位置に配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機において、
ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、
永久磁石は、ロータ巻線の配置と重複しないように突極部の内部に設けられることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に係り、特に、ステータに回転磁界を生成するステータ巻線を有し、これとは別にロータに巻線と整流素子が設けられる回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機において、ステータ巻線とは別にロータに巻線を設けることで、回転電機の出力トルクの特性を改善することが行われる。ステータ巻線によって回転磁界が生成されるので、その回転磁界によってロータ巻線に誘導電流を生じさせ、その誘導電流による磁束を用いてトルクを生み出すことができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、永久磁石を併用した半波整流ブラシなし同期電動機として、ダイオードで単相短絡された界磁巻線を持ちかつ永久磁石を埋め込んだ回転子と、平衡多相固定子巻線を有する構成が開示されている。この平衡多相固定子巻線に流す電流は、回転子位置に同期したバイアス周波数の変調波形によって振幅変調された励磁交流成分の多相交流電流と、トルク電流成分の多相交流電流とを含む。
【０００４】
また、特許文献２には、先発明として、回転磁界を生成するステータ巻線と、ロータの周方向複数個所に設けられ径方向に伸びる柱部等を磁極部として、各磁極部に巻回されるロータ巻線と、ロータ巻線に並列に接続される一方向整流素子と、周方向に関して隣り合うロータ巻線の間に配置される永久磁石を備える構成を述べている。そしてこの構成では、ロータの回転方向の違いで、力行トルクと回生トルクが異なってくることを指摘している。
【０００５】
そこで、第１の実施形態として、ロータの周方向複数個所に設けられ径方向に伸びる柱部等を磁極部として、磁極部にロータ巻線が巻回されることは同じであるが、永久磁石を磁極部の内部に埋設する構成を述べている。この構成では、各永久磁石の周囲にロータ巻線が巻回されることになる。なお、第３の実施形態として、ロータの周方向複数個所に設けられ径方向に伸びる突部を設け、周方向に隣り合う突部の間にロータ巻線を空芯状態に配置し、永久磁石を省略する構成が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平７−１１８９３９号公報
【特許文献２】特開２００９−１４２１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の方法では、磁石により生成される磁石トルクと、ロータ巻線によって磁極部に生じる磁束を用いたコイルトルクとを出力トルクとして利用できる。しかし、この構成では、永久磁石の周囲にロータ巻線を巻回するので、永久磁石の大きさによっては、ロータ巻線を十分に巻けないことが生じ得る。このことは特許文献１の方法でも同じことが言える。また、永久磁石にステータの回転磁界が直接的に働くので、永久磁石に渦電流損失が生じる。このことは特許文献１の方法でも同じことが言える。
【０００８】
このように、ステータに回転磁界を生成するステータ巻線を有し、これとは別にロータに巻線と整流素子が設けられる回転電機に永久磁石を用いる場合に、課題が残されている。
【０００９】
本発明の目的は、ステータに回転磁界を生成するステータ巻線を有し、これとは別にロータに巻線と整流素子が設けられる構成において、磁石の効果的利用によって回転電機の特性を向上させることができる回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転電機は、回転磁界を生成するステータ巻線を有するステータと、インダクタンスがより高い磁路である複数のＬ大磁路を周方向の複数個所に有し、ステータに対向するロータと、Ｌ大磁路を巻線磁極部として巻回されて、回転磁界が鎖交して誘導電流が流れる複数のロータ巻線と、誘導電流によって巻線磁極部に生じる巻線起磁力の方向をロータの周方向に交互に異ならせるように、各ロータ巻線に接続される複数の整流部と、巻線起磁力の方向と一致する方向の起磁力を生じさせる磁束を巻線磁極部に流す複数の永久磁石と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機において、ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、永久磁石は、ロータの内部で隣接する突極部の根元の間の位置に配置されることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機において、ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、永久磁石は、ロータ巻線の配置と重複しないように突極部の内部に設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成により、回転電機は、ロータコアのインダクタンスの相違に基づいて生じるリラクタンストルクと、ロータ巻線に生じる誘導電流に基づいて生じるコイルトルクに加えて、永久磁石に基づく磁石トルクのいずれもが、Ｌ大磁路に発生する。これによって、回転電機のトルク特性が向上する。
【００１４】
特に、回転電機の回転数がゼロでコイルトルクが期待できないときでも、磁石トルクによってトルク特性を向上させることができる。また、回転電機の回転方向にかかわらず、同じ大きさのトルク特性となるので、回転電機の力行トルクと回生トルクとの間で相違が生じない。また、同じ要求トルクに対し、磁石トルクを利用できるので、ステータの回転磁界の大きさを小さくできる。これによって、ステータ巻線の銅損を抑制することができる。同様に、同じ要求トルクに対し、磁石トルクを利用できるので、コイルトルクも小さくできる。これによって、ロータ巻線の銅損を抑制することができる。
【００１５】
また、上記構成の回転電機において、ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、永久磁石は、ロータの内部で隣接する突極部の根元の間の位置に配置される。これによって、永久磁石にステータの回転磁界が直接的に働くことがないので、永久磁石に発生し得る渦電流損失を大幅に抑制できる。
【００１６】
また、上記構成の回転電機において、ロータは、ロータコアの外周側に突き出す突極部をＬ大磁路として有し、永久磁石は、ロータ巻線の配置と重複しないように突極部の内部に設けられる。これによって、永久磁石の大きさにかかわらずロータ巻線を十分に巻くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の回転電機の構成図である。
【図２】図１の構成における回転電機のトルク特性図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、永久磁石の別の配置の例を示す図である。
【図４】比較例として、特許文献２の第１の実施例の構成を示す図である。
【図５】別の比較例として、特許文献２において先発明として記載される構成を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、永久磁石の有無によるリラクタンストルクの相違を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態の効果として、永久磁石の有無によって、回転電機のトルク特性が相違することを説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態の効果として、永久磁石の有無によって、回転数がゼロのときの回転電機のトルクが相違することを説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態の効果として、永久磁石の有無によって、銅損が相違することを説明する図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態の効果として、力行トルクおよび回生トルクについて、図４、図５の構成例と比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機を述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用以外の用途に用いられる回転電機であってもよい。また、ステータコアとロータコアは、電磁鋼板を積層したものとして説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外のコア片を積層するものであってもよい。また、これ以外の構成のステータコア、ロータコアであってもよい。例えば、電磁鋼板の積層型でなく、鋼材を加工した一体型コアでもよく、磁粉を成形したコアであってもよい。ステータコアは分割型コアであってもよい。
【００１９】
以下では、ロータの周方向に沿ってインダクタンスの相違を形成するときに、よりインダクタンスが大きいＬ大磁路として、ロータの周方向に沿って径方向に伸びる突極部の磁路を説明するが、これは説明の例示である。これ以外に、ロータコアに設けられるスリットの形状によって、ロータの周方向に沿ってインダクタンスの相違を形成するときは、その構成において、よりインダクタンスが大きい磁路をＬ大磁路とすることができる。
【００２０】
以下で述べるステータの磁極数、ロータの磁極部の数等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様に応じて適宜変更が可能である。
【００２１】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２２】
図１は、車両搭載用の回転電機１０について、その軸方向に垂直な方向で切断したときの断面図を用いて、内部構成を説明する図である。図１には、一部拡大図が示されている。回転電機１０は、ステータ１２と、ステータ巻線１４と、ステータ１２に対し回転する回転軸１６と、回転軸１６に固定され回転軸１６と一体として回転するロータ２０を含んで構成される三相同期型の回転電機である。
【００２３】
ステータ１２は、所定の円環状形状に打ち抜かれた複数の電磁鋼板を積層したステータコアによって構成される。ステータコアの外周部は、図示されていないモータケースに固定される。ステータコアの内周側の円筒状空間には、ステータ１２の中心軸と同心に、ロータ２０が配置される。
【００２４】
ステータ巻線１４は、ステータコアの内周側に形成された複数のティースと呼ばれる突出部に巻回される三相巻線である。ステータ巻線１４は、図示されていない制御装置に接続される。
【００２５】
図示されていない制御装置は、二次電池等の電源と、インバータ等の駆動回路と、駆動回路の動作を制御する制御部で構成される。制御部は、回転電機１０に対する要求トルクと回転数に基づいて、ベクトル制御を用い、インバータを構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御し、ステータ巻線１４を構成する三相巻線のそれぞれに流す交流電流の位相である電流進角を制御する。これによって、ステータ１２の各ティースにおける回転磁界が生成される。
【００２６】
ロータ２０は、所定の円環状形状に打ち抜かれた複数の電磁鋼板を積層したロータコアによって構成される。ロータコアの内周側は、回転軸１６に固定される。ロータコアの外周側は、所定の隙間をあけてステータコアの内周側と対向する。
【００２７】
ロータコアは、ステータコアとの間のインダクタンスがより大きい磁路と、より小さい磁路とが周方向に沿って周期的に繰り返すように、外周側の形状が形成される。具体的には、ロータコアの周方向に沿って径方向に伸びる突極部２２を周期的に複数個形成し、この突極部２２をインダクタンスがより大きいＬ大磁路とする。Ｌ大磁路は、磁気抵抗が小さい磁路である。ロータコアの周方向に沿って隣接する突極部２２の間は、スロットとなり、ステータコアとの間のインダクタンスがより小さいＬ小磁路である。Ｌ小磁路は、磁気抵抗が大きい磁路である。
【００２８】
ロータ巻線４０は、Ｌ大磁路である突極部２２を巻線磁極部として巻回されるコイル巻線である。ロータ巻線４０は、所定の電流進角の交流信号がステータ巻線１４に供給されるときに、ステータ１２と協働して、以下のように作用する。すなわち、所定の電流進角の交流信号に基づいてステータコアから発生する回転磁界は、磁気抵抗の小さい突極部２２を通る。突極部２２にはロータ巻線４０が巻回されているので、ロータ巻線４０にステータ１２からの回転磁界が鎖交する。これによって、ロータ巻線４０に誘起起電力を発生し、その誘起起電力によって誘導電流が流れる。
【００２９】
ロータ巻線４０を流れる誘導電流によって生成される磁束が突極部２２を通ることで、突極部２２に起磁力が発生し、ロータ巻線４０の磁極となる。その意味で、突極部２２は、巻線磁極部である。誘導電流によって巻線磁極部である突極部２２に生じる起磁力を巻線起磁力と呼ぶことにすると、巻線起磁力の方向は、誘導電流の方向で決まる。
【００３０】
巻線起磁力の方向を制御することで、ロータ巻線４０を流れる誘導電流を回転電機のトルクの生成に利用できる。そのために、巻線起磁力の方向を、ロータ２０の周方向にそって、交互に異ならせるようにする。
【００３１】
巻線磁極部である突極部２２に生じる起磁力の方向について、突極部２２の根元側から先端側に向かう方向を正側の起磁力の方向とし、突極部２２の先端側から根元側に向かう方向を負側の起磁力の方向とする。換言すれば、ロータ２０側からステータ１２に向かう方向が正側の起磁力の方向とし、ステータ１２からロータ２０側に向かう方向を負側の起磁力の方向とする。別の見方をすると、突極部２２の根元側から先端側に磁束が流れるときに正側の方向の起磁力を生じ、突極部２２の先端側から根元側に磁束が流れるときに負側の方向の起磁力が生じる。
【００３２】
巻線起磁力の方向を、ロータ２０の周方向にそって、交互に異ならせるには、巻線起磁力の方向を、ロータ２０の周方向に沿って、正側の次は負側、負側の次は正側と、順次反転させるようにする。このように、巻線起磁力の方向をロータ２０の周方向に沿って周期的に反転させることで、回転磁界との協働で、回転電機１０にトルクを発生させることができる。
【００３３】
図１の拡大図でその様子を説明する。拡大図では、ロータ２０の周方向に沿って、隣接する３つの突極部２４，２２，２６が示されている。この３つの突極部２４，２２，２６が互いに隣接する巻線磁極部である。３つの突極部２４，２２，２６には、それぞれロータ巻線４０が巻回される。
【００３４】
ダイオード４４，４２，４６は、３つの突極部２４，２２，２６にそれぞれ巻回される３つのロータ巻線４０に接続される整流部である。ダイオード４２は、巻線起磁力の方向を正側、つまり、ロータ２０側からステータ１２に向かう方向とするように、突極部２２に巻回されるロータ巻線４０に流れる誘導電流の方向を整流する。図１の拡大図の例では、突極部２２の根元側から先端側に向かって進む右ネジの螺旋に沿って、ロータ巻線４０に誘導電流が流れるように、ダイオード４２の極性が設定される。
【００３５】
図１の拡大図において突極部２２の左隣に位置する突極部２４におけるダイオード４４は、ダイオード４２と極性が逆となるように接続される。すなわち、突極部２４においてロータ巻線４０の誘導電流によって生成される起磁力の方向を負側、つまり、ステータ１２側からロータ２０に向かう方向とするように、突極部２４に巻回されるロータ巻線４０に流れる誘導電流の方向を整流する。図１の拡大図の例では、突極部２４の先端側から根元側に向かって進む右ネジの螺旋に沿って、ロータ巻線４０に誘導電流が流れるように、ダイオード４４の極性が設定される。
【００３６】
図１の拡大図において突極部２２の右隣に位置する突極部２６におけるダイオード４４も、ダイオード４２と極性が逆となるように接続される。すなわち、突極部２６においてロータ巻線４０の誘導電流によって生成される起磁力の方向を負側、つまり、ステータ１２側からロータ２０に向かう方向とするように、突極部２６に巻回されるロータ巻線４０に流れる誘導電流の方向を整流する。図１の拡大図の例では、突極部２６の先端側から根元側に向かって進む右ネジの螺旋に沿って、ロータ巻線４０に誘導電流が流れるように、ダイオード４６の極性が設定される。
【００３７】
このように、ロータ巻線４０に接続されるダイオードの極性を、ロータ２０の周方向に沿って順次反転させることで、巻線磁極部の起磁力の方向がロータ２０の周方向に沿って周期的に反転させることができる。
【００３８】
図１の拡大図において示される永久磁石３４，３２，３０，３６は、ロータ２０の内部で隣接する突極部２４，２２，２６の根元の間の位置にそれぞれ配置され、突極部２４，２２，２６に磁束を流す磁石である。この磁束によって、突極部２４，２２，２６には起磁力が発生する。この起磁力は巻線起磁力とは別のもので、永久磁石３４，３２，３０，３６から流れる磁束によるものである。この起磁力を、巻線起磁力と区別して、磁石起磁力と呼ぶことができる。
【００３９】
永久磁石３４，３２，３０，３６の極性は、永久磁石３４，３２，３０，３６によって生成される磁石起磁力の方向が、巻線起磁力の方向と一致するように、ロータ２０の内部において配置される。
【００４０】
図１の例では、突極部２２の根元と突極部２６の根元との間の永久磁石３０の極性は、突極部２６側をＳ極、突極部２２側をＮ極となるように配置される。突極部２４の根元と突極部２２の根元との間の永久磁石３２の極性は、突極部２４側をＳ極、突極部２２側をＮ極となるように配置される。
【００４１】
このように、突極部２２の根元の両側に配置される永久磁石３０，３２は、共にＮ極が突極部２２の側に向くようにする。これによって、突極部２２において、永久磁石３０，３２によって生成される磁石起磁力の方向を、突極部２２における巻線起磁力の方向と一致させることができる。
【００４２】
同様に、突極部２４の根元の両側に配置される永久磁石３４，３２は、共にＳ極が突極部２４の側に向くようにする。これによって、突極部２４において、永久磁石３４，３２によって生成される磁石起磁力の方向を、突極部２４における巻線起磁力の方向と一致させることができる。
【００４３】
同様に、突極部２６の根元の両側に配置される永久磁石３０，３６は、共にＳ極が突極部２６の側に向くようにする。これによって、突極部２６において、永久磁石３０，３６によって生成される磁石起磁力の方向を、突極部２６における巻線起磁力の方向と一致させることができる。
【００４４】
また、突極部２２は、ステータ１２に対しＬ大磁路であるので、ステータ１２からの回転磁界による磁束が他の磁路よりも流れ易い。この磁束の流れ易さによって、突極部２２にトルクが発生する。このトルクは、磁路のインダクタンスの差によるもので、リラクタンストルクと呼ばれる。このように、Ｌ大磁路にはリラクタンストルクが発生するので、このリラクタンストルクの大きさに相当する起磁力が突極部２２に発生すると考えることができる。この起磁力は、Ｌ大磁路のリラクタンスに基づくもので、巻線起磁力とも磁石起磁力とも異なる起磁力である。他の２つと区別するときは、これをリラクタンス起磁力と呼ぶことができる。
【００４５】
ここで、図１の拡大図に示すように、ロータ巻線４０による巻線起磁力５２の方向と、永久磁石３０による磁石起磁力５４の方向と、インダクタンスの差によるリラクタンス起磁力５６の方向の全部を一致させるように、回転磁界の制御を行うことで、突極部２２における全起磁力５０の大きさを最大化することができる。これによって、回転電機１０のトルク特性を向上させることができる。
【００４６】
図２は、図１の構成におけるトルクの電流位相特性を示す図である。横軸は、回転電機１０のステータ巻線１４に供給される三相駆動電流の位相を示す電流進角である。縦軸は回転電機１０のトルクである。トルクは、コイルトルク成分ＴCLと、磁石トルク成分ＴMGと、リラクタンストルク成分ＴREとを総和したトルクＴ0＝（ＴRE＋ＴMG＋ＴCL）で与えられる。
【００４７】
コイルトルク成分ＴCLは、巻線起磁力５２に基づいて生じるトルク成分であり、ロータ２０の周方向に沿った誘導電流の極性配置の電気角で換算した周期を有する。ここでは、コイルトルク成分ＴCLの一周期は、電気角で３６０度である。
【００４８】
磁石トルク成分ＴMGは、磁石起磁力５４に基づいて生じるトルク成分であり、ロータ２０の周方向に沿った永久磁石３０の極性配置の電気角で換算した周期を有する。ここでは、磁石トルク成分ＴMGの一周期は、電気角で３６０度である。
【００４９】
リラクタンストルク成分ＴREは、リラクタンス起磁力５６に基づくトルク成分であり、ロータ２０の周方向に沿ったＬ大磁路の配置の電気角で換算した周期を有する。ここでは、リラクタンストルク成分ＴREの一周期は、電気角で１８０度である。
【００５０】
ここで、図１の構成では、巻線起磁力５２の方向と、磁石起磁力５４の方向と、リラクタンス起磁力５６の方向の全部を一致させる。具体的には、電流進角が９０度のときに、ＴRE＝ＴMG＝ＴCL＝０となるようにする。これによって、回転電機１０のトルクＴ0＝（ＴRE＋ＴMG＋ＴCL）は、電流進角でおよそ３０度から４５度の間で、最大値となる特性を有する。このトルクの最大値は、巻線起磁力５２の方向と、磁石起磁力５４の方向と、リラクタンス起磁力５６の方向を一致させない場合に比べ、大きな値とすることができる。このようにして、回転電機１０のトルク特性を向上させることができる。
【００５１】
上記において、永久磁石は、ロータの内部で隣接する突極部の根元の間の位置に配置されるとして説明した。図３は、これに代えて、ロータ巻線の配置と重複しないように突極部の内部に永久磁石が設けられる回転電機１１の構成を示す図である。ここでは、ロータ２１の突極部２３の先端部に永久磁石３１が配置され、ロータ巻線４１は、永久磁石３１が配置される位置よりも突極部２３の根元側で巻回される。この構成によっても、ロータ巻線４１の誘導電流によって生じる巻線起磁力の方向と、永久磁石３１によって生じる磁石起磁力の方向を一致させることができる。
【００５２】
すなわち、図３の拡大図の突極部２３において、永久磁石３１の極性を、突極部２３の先端側をＮ極、根元側をＳ極とする。図３において突極部２３の左隣に位置する突極部２５における永久磁石３３の極性を、突極部２３の先端側をＳ極、根元側をＮ極とする。図３において突極部２３の右隣に位置する突極部２７における永久磁石３５の極性を、突極部２３の先端側をＳ極、根元側をＮ極とする。
【００５３】
このようにすることで、図３の拡大図に示すように、ロータ巻線４１による巻線起磁力５３の方向と、永久磁石３１による磁石起磁力５５の方向と、インダクタンスの差によるリラクタンス起磁力５７の方向の全部を一致させることができる。
【００５４】
上記構成の作用効果を、従来技術と比較して説明する。従来技術として、特許文献２の第１の実施例の構成を図４の回転電機６０として示す。また、特許文献２において先発明として記載される構成を図５の回転電機８０として示す。
【００５５】
図４の回転電機６０は、ステータ６２と、ステータ巻線６４と、ステータ６２に対し回転する回転軸６６と、回転軸６６に固定され回転軸６６と一体として回転するロータ６８を含んで構成される。ロータ６８には、永久磁石７４と、永久磁石７４の周囲に巻回されるロータ巻線７０と、ロータ巻線７０に接続されるダイオード７２が設けられる。
【００５６】
図１、図３の構成と比較すると、図４の構成でも、ロータ巻線７０の誘導電流によって生じる起磁力の方向と、永久磁石７４によって生じる磁石起磁力の方向は一致している。しかし、ロータ巻線７０は永久磁石７４の周囲に巻回されるので、ロータ巻線７０が巻回されるロータコアのインダクタンスは小さな値となる。その結果、巻線起磁力は小さい値となるものと考えられる。また、永久磁石７４の大きさによっては、ロータ巻線７０が十分に巻回できず、要求トルクを満たすために、巻数等が増加し、銅損が増大する。
【００５７】
図５の回転電機８０は、回転電機６０と同様に、ステータ６２と、ステータ巻線６４と、ステータ６２に対し回転する回転軸６６と、回転軸６６に固定され回転軸６６と一体として回転するロータ６８を含んで構成される。ここで、ロータ６８には、ロータ巻線９０と、ロータ巻線９０に接続されるダイオード９２が設けられる。永久磁石９４は、周方向に関して隣り合うロータ巻線９０の間に配置される。
【００５８】
図１、図３の構成と比較すると、図５の構成では、ロータ巻線７０の誘導電流による巻線起磁力が発生する位置と、永久磁石７４による磁石起磁力が発生する位置は、電気角で位相差がある。この位相差のために、回転電機８０の回転方向によってトルクの大きさが相違してくる。すなわち、回転電機８０では、力行トルクと回生トルクの大きさが異なってくる。また、ロータ巻線７０の誘導電流によって生じる巻線起磁力と、永久磁石７４による磁石起磁力が加算されてトルクに寄与することがない。
【００５９】
図１、図３の構成の作用効果として、永久磁石の磁束を突極部に流す利点について説明する。以下で、永久磁石があるとは、永久磁石の磁束を突極部に流す構成のことで、図１、図３の回転電機１０，１１に対応する。永久磁石がないとは、永久磁石の磁束を突極部に流さない構成のことで、例えば、従来技術の図５の回転電機８０がこれに相当する。
【００６０】
図６は、同じロータにおいて永久磁石の有無によってリラクタンストルク成分ＴREが変化する様子を説明する図である。永久磁石がないときのリラクタンストルク成分の大きさをＴRE1とすると、図１、図３のように永久磁石がある場合のリラクタンストルク成分ＴREの大きさはＴRE1よりも小さくなる。したがって、永久磁石があると、永久磁石がないときに比べ、リラクタンストルク成分ＴREは小さな値となる。しかし、一方で、磁石トルク成分ＴMGが生成されるので、永久磁石のあるときのトルク＝（ＴRE＋ＴMG）となり、永久磁石がないときのトルク＝ＴRE1よりも大きくなる。
【００６１】
図７は、回転電機１０のトルク特性をシミュレーションで求めた結果を示す図である。ここでは、横軸が回転電機１０の回転数、縦軸が回転電機１０のトルクである。永久磁石を用いるときの回転電機１０のトルクＴ0は、リラクタンストルク成分と磁石トルク成分を求めるベクトル制御の式に、コイルトルク成分を加算して計算した。永久磁石を用いないときの回転電機のトルクＴ1は、図６の関係を考慮しながら、ベクトル制御の式で磁石トルク成分がないものとして計算した。図７に示されるように、コイルトルク成分と磁石トルク成分とリラクタンストルク成分とを有する構成の回転電機１０のトルクＴ0は、永久磁石を有さない場合のトルクＴ1に比較して、回転数がゼロのときから大きい値を有する。
【００６２】
図８は、永久磁石の有無について、回転電機の回転数がゼロのときのトルクを比較した図である。回転数がゼロのときは、コイルトルク＝０となる。したがって、永久磁石がない場合のトルクは、図６で説明したリラクタンストルク成分ＴRE1となる。永久磁石がある場合は、図６で説明したリラクタンストルク成分ＴREと磁石トルク成分ＴMGの合計となる。図８に示されるように、回転数がゼロのときのトルクは、永久磁石がある場合の方が大きくなる。
【００６３】
図９は、永久磁石の有無について、銅損の大きさを比較した図である。永久磁石がある場合は、磁石トルクが回転電機の全体トルクに貢献する。したがって、同じ要求トルクの場合で比較すると、磁石トルクがない場合に比べ、ステータ巻線１４に流す電流を少なくすることができる。これによって、ステータ銅損が少なくなる。また、同じ要求トルクで比較すると、磁石トルクがない場合に比べ、コイルトルクを少なくできる。すなわち、ロータ巻線に流れる電流を少なくでき、ロータ銅損が少なくなる。
【００６４】
図１０は、回転電機の力行トルクと回生トルクについて、従来技術と図１、図３の構成との比較を示す図である。ここでは、図１、図３の構成を構成Ａとし、図４の構成を構成Ｂ、図５の構成を構成Ｃとして示した。
【００６５】
構成Ａでは、各突極部について、巻線起磁力５２の方向と、磁石起磁力５４の方向と、リラクタンス起磁力５６の方向の全部を一致させている。そして、各突極部の一致させた起磁力の方向は、ロータ２０の周方向に沿って、順次正側の方向、負側の方向、正側の方向、負側の方向と変わる。周方向に沿った方向が逆方向でも、やはり順次正側の方向、負側の方向、正側の方向、負側の方向と変わる。したがって、回転電機１０の回転方向が正回転でも逆回転でも、トルクの大きさに変化が生じない。そこで、構成Ａでは、回転方向が互いに反対方向である力行トルクと回生トルクの間に相違が生じない。
【００６６】
構成Ｃでは、隣接するロータ巻線９０の間に永久磁石９４が配置されるので、巻線起磁力の方向と磁石起磁力の方向が同じでも、その発生する位置がロータの周方向に沿って異なる位置となる。したがって、回転電機８０が正回転するときと逆回転するときでトルクの大きさが異なる。そこで、構成Ｃでは、回転方向が互いに反対方向である力行トルクと回生トルクの間に相違が生じ、回生トルクは、力行トルクよりも小さい値となる。また、構成Ｃの力行トルクと構成Ａの力行トルクを同じにしても、構成Ｃの回生トルクは、構成Ａの回生トルクより小さい値となる。
【００６７】
構成Ｂでは、永久磁石７４の周りにロータ巻線７０が巻回されるので、この磁極部に比べ、永久磁石もロータ巻線もともに配置されない部分の方が、インダクタンスが大きくなる。そこで、構成Ｂでも、回転方向が互いに反対方向である力行トルクと回生トルクの間に相違が生じ、回生トルクは、力行トルクよりも小さい値となる。また、ロータ巻線の条件を同じとして、構成Ｂの力行トルクと回生トルクは、いずれも構成Ａの力行トルクと回生トルクよりも小さい値となる。
【００６８】
また、構成Ｂでは、永久磁石７４の周りにロータ巻線７０が巻回されるので、永久磁石７４の配置のためにロータ巻線７０の占有できる面積が減少する。これによって、ロータ銅損が増大する。これに対し、図１、図３の構成Ａにおいては、永久磁石の配置とロータ巻線の配置が重ならないので、永久磁石の配置のためにロータ巻線の占有できる面積を十分確保できる。したがって、構成Ｂに比べてロータ銅損を少なくすることができる。
【００６９】
また、構成Ｂでは、ステータ６２からの回転磁界を永久磁石７４が直接受けるので、永久磁石７４の鉄損が大きくなる。これに対し、図１の構成では、隣接する突極部の根元部に永久磁石３０が配置される。このように、永久磁石３０は、ステータ１２とロータ２０が対向する磁気ギャップから離れたところに配置されるので、ステータ１２からの回転磁界を永久磁石３０が直接受けることがない。したがって、構成Ｂに比べると、永久磁石３０の鉄損を大幅に低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る回転電機は、例えば、車両に搭載される回転電機として利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１０，１１，６０，８０  回転電機、１２，６２  ステータ、１４，６４  ステータ巻線、１６，６６  回転軸、２０，２１，６８  ロータ、２２，２３，２４，２５，２６，２７  突極部、３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，７４，９４  永久磁石、４０，４１，７０，９０  ロータ巻線、４４，４２，４６，７２，９２  ダイオード、５０  全起磁力、５２，５３  巻線起磁力、５４，５５  磁石起磁力、５６，５７  リラクタンス起磁力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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